적색왜성

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개요

적색 왜성(赤色矮星, red dwarf)은 태양의 8%에서 50% 정도의 질량을 지닌 주계열성을 부르는 말이다. 최소 질량은 중원소 함량에 따라 달라지는데 중원소양이 많으면 7%까지 내려가고, 중원소가 거의 없다면 9%까지 올라간다. 헤르츠스프룽-러셀 도표에 따르면 적색 왜성의 스펙트럼형은 어두운 K형으로부터 M형까지이며, 표면온도는 3800켈빈을 넘지 않는다. 다른 명칭으로는 저질량 항성(Low mass star)이라고도 한다.

항성이라고 정의하는 천체의 마지노선이다. 이보다 질량이 더 작은 천체는 갈색왜성으로 분류하며, 중수소나 리튬을 핵융합할 수 있지만 그 기간이 짧고 항성이라고 정의하는 조건인 경수소 핵융합이 가능한 질량에 이르지 못했기 때문에 그저 뜨거운 가스덩어리에 불과하다. 갈색왜성보다 질량이 더 작은 준갈색왜성은 아예 핵융합 반응 자체를 못하고 수축열로만 에너지를 생산하기에 학자에 따라서는 덩치 큰 목성형 행성으로 취급한다.

우주에서 가장 흔한 항성으로 우리 은하에 존재하는 주계열성은 약 2천억 개로 추정하는데, 초기질량함수에 따르면 그 중 74%를 적색왜성으로 예상한다. 우주 전체로 보면 항성의 70~90%가 적색왜성이다. 태양을 제외하고 지구에서 가장 가까운 곳에 있는 항성도 적색왜성인 프록시마(4.3광년)이다.

특징

주계열성 중에서 가장 작고 온도가 낮아서 별에서 나오는 에너지가 적기 때문에 관측하려면 적외선 망원경이 필요하다. 가장 밝은 적색 왜성도 태양과 비교하면 10%의 밝기에 불과하며 팽창력도 약해서 크기도 질량에 비하면 작은 사례가 많다. 이들은 질량이 작기 때문에 핵융합 반응도 매우 천천히 진행되는데, 태양이 초당 6억톤의 수소를 태우는 동안 적색왜성은 최소 6만톤에서 최대 6천만톤의 수소를 태운다. 최소 수준인 태양 질량의 8%인 적색왜성은 중심핵의 온도가 겨우 450만 켈빈이고 내부 압력도 2백만 바에 불과하다.

또한 다른 주계열성들과 달리 항성 내부의 대류 활동이 활발하여 핵에 헬륨이 축적되지 않고 핵 외부의 수소를 끌어오기 때문에 매우 효율적으로 수소를 사용한다. 특히 늙은 적색왜성들은 에너지를 발산하는데 전적으로 이 대류 작용에 의존할 것으로 추정한다. 다른 주계열성들은 주계열성의 수명을 다할 때까지 중심핵 근처에 존재하는 자기 질량의 10%에 해당하는 수소만을 연료로 쓸 수 있는 반면 적색왜성이 주계열성에서 이탈하는 단계가 되면 자기 질량의 99%를 헬륨이 차지할 것으로 예상한다. 대신 팽창력이 미약하고 수명을 다하는 시점에서 밀도가 매우 높아지는데다가 구성성분의 99%가 헬륨이기 때문에 다른 별의 재료가 될 수소를 거의 내놓지 못한다.

질량이 작을수록 수명이 긴 항성의 특성에 더해서 대류작용이 활발하다는 점 때문에 주계열성으로 지내는 기간이 극히 길다. 질량이 큰 적색왜성은 약 800억년, 태양질량의 8%에 불과해서 간신히 주계열성으로 분류된 적색왜성들은 최대 17조 5천억년까지 주계열성 단계에서 버틸 수 있다. (중원소 함량이 높을 경우. 태양과 비슷한 중원소 함유량이라면 최대 12조년으로 추정) 우주의 역사가 겨우 138억년에 불과하다는 걸 생각하면 아무리 짧아도 5배는 넘게 살고, 태양질량의 0.8배 이하인 적색왜성은 수명을 다한 사례가 현 우주에선 전혀 없다. 나이가 많이 든 은하일수록 적색왜성이 차지하는 비율이 높아지는데 질량이 무거운 다른 항성들이 수명을 다한 뒤 사라져도 적색왜성은 여전히 남아있기 때문. 생성된 지 오래된 우리 은하에도 100억년을 넘긴 적색왜성들이 즐비하지만 천문학적으로 긴 수명 탓에 사람으로 치면 여전히 아기에 불과하다.

이 때문에 교과서에서도 적색왜성의 후기 발달 과정을 일반적인 항성과 똑같이 적색거성->백색왜성으로 기술해놓은 경우가 많은데, 질량에 따라 (적색 거성)-청색 왜성-백색 왜성으로 변하는 것으로 추정한다.

현존하는 모든 적색 왜성은 빅뱅 후 탄생한 1세대 항성들이 수명을 끝마친 후 그 잔해로 이루어진 2세대 항성으로, 그 이유는 항성의 진화 결과로 생성되는 중원소가 들어있기 때문이다. 중원소가 거의 없는 종족 3에 속하는 적색왜성은 천문학적으로 긴 수명에도 불구하고 현재까진 발견된 사례가 전혀 없다.

외계행성의 모항성-생물체 존재?

이런 항성을 모항성으로 두는 외계행성에 생명체가 있냐 없냐는 큰 논쟁거리이다.

생명체 서식을 불리하게 만드는 조건들

조석 고정

조석 고정이란 모항성이나 모행성을 공전하는 천체의 공전과 자전이 중력작용으로 일치하여 이 천체가 모항성이나 모행성쪽으로 한쪽 면만을 향하는 현상으로 지구와 달의 관계와 같다.

이런 경우에는 한쪽은 영원한 낮이 되고 반대쪽은 영원한 밤이 되어서 온도차가 극심해지기 때문에 액체로 된 물이 존재하기 힘들어서 생명활동에 불리하다고 봤다. 하지만 1997년의 연구에 따르면 적색왜성을 모항성으로 하는 행성의 대기가 지구의 10%만 있어도 수증기나 이산화탄소 같은 온실가스가 존재한다면 낮 지역의 에너지를 밤 지역으로 전달시켜 줄 수 있다고 한다. 2년 뒤의 연구에서는 행성의 바다가 충분히 깊다면 밤 지역의 얼어붙은 수면 밑에서 바닷물의 순환이 가능하다고 결론을 냈다. 2013년의 연구에서는 조석고정된 행성에서 생성되는 구름을 통해 낮과 밤지역의 온도 차이를 줄여주기 때문에 적색왜성을 모항성으로 삼는 행성의 생명체 서식 가능성을 높여준다고 밝혔다.

여기에 더해서 조석 고정이 되는 시기는 행성의 대양과 대기의 영향을 받기 때문에 수십억년이 흘러도 조석 고정되지 않을 수도 있다. 이러한 연구들 때문에 조석 고정이 생명체의 탄생과 번식을 절대적으로 불가능하게 하는 요인은 아니다.

가시광선의 부족

지구상의 식물은 태양의 가시광선 내에서 광합성을 하기 적합한 조건인데, 적색 왜성들은 이름 그대로 적외선 영역의 빛이 많기 때문에 지구와 같은 식물이 자라기에는 부적합하다. 단, 지구상에서 광합성을 하는 일부 미생물들은 적외선 파장을 이용해 광합성을 하기도 한다. 적색왜성을 모성으로 하는 외계행성에 식물이 존재할 경우 최대한 많은 빛을 흡수하기 위해 검은색이나 적외선 파장을 흡수하기 위해 보라색을 띄고 있을 것이다.

폭발적인 플레어와 불규칙한 밝기

적색왜성은 폭발적인 자기장을 형성하며 흑점도 많다. 이 때문에 강력한 플레어가 자주 발생하는데 밝기가 크게 변화하면서 대량의 X선을 방출하여 생명체를 전멸시킬 수도 있다.(밀도가 큰 적색왜성일수록 자기장 선이 꼬여서 더 강력한 플레어가 발생한다) 하지만 2021년의 연구 결과에 따르면 적색왜성에서 플레어가 발생하는 곳은 태양처럼 적도 부근이 아닌 55도 이상의 고위도 부분이어서 공전하는 행성에 주는 영향은 거의 없을 것이라고 한다. (모항성을 공전하는 행성들은 항성의 적도를 따라서 돌기 때문)또한 모든 적색왜성이 섬광성인 것은 아니며 로스 128이나 루이텐의 별, 티가든의 별처럼 폭발적인 활동을 하지 않는 적색왜성들도 존재한다. 폭발적인 활동을 하는 기간은 적색왜성 탄생 후 12억년이라고 하며 이 기간이 지나면 자전속도가 줄어들면서 활동이 줄어들어 안정될 것으로 예상한다.

긴 전주계열 단계

적색왜성은 주계열성으로 안정될 때까지 길면 최대 10억년 정도 전주계열 단계를 거치는 것으로 추정하는데 전주계열 단계일 때는 주계열성에 진입했을 때보다 훨씬 밝고 에너지를 많이 배출하기 때문에 골디락스 존에 행성이 있더라도 그런 환경을 잃어버릴 수 있다. 적색왜성 중 태양 밝기의 22%에 해당할 정도로 가장 밝은 황소자리 DH가 그렇다. 하지만 지구처럼 모성이 탄생한 후 충분한 시간이 지나서 생성된 행성은 전주계열 단계의 영향을 받지 않을 수 있다.(태양도 막 탄생했을 때는 골디락스 존이 현재의 목성 궤도였을 정도로 지금보다 훨씬 밝았다) 위 항목에서 항성의 활동이 잠잠해지는 기간과 함께 고려하면 주계열 영년에 돌입한 후 12억년 정도 지난 적색왜성이 모성이라면 딱 알맞을 것이다.

생명체 서식의 유리한 점

많은 수

일단 우주 전체 항성의 90%를 차지하는 데다가 생명체의 탄생이 블랙홀이나 중성자별 같은 죽은 별들과는 달리 아주 불가능한 수준은 아니라서 연구는 계속 진행되고 있다. 적색왜성을 제외하면 나머지 주계열성에서만 생명체 서식이 가능하다는 건데 이건 우주에는 우리 밖에 없다는 말과 동일하기 때문이다. 태양과 같은 주계열성은 상위 1%에 속하는 매우 희귀한 별이다. 우리 은하 전체에 존재하는 적색왜성 중 약 5%가 생명체가 번식 가능한, 지구와 유사한 질량의 행성을 거느리고 있을 것으로 추정하는데, 거대 가스 행성의 위성이나 슈퍼 지구(지구형 행성 중 지구보다 질량이 큰 행성, 최대 질량은 천왕성-해왕성 질량)까지 포함하면 그 수는 더 많아진다.

매우 긴 수명

항성 내부의 수소를 매우 천천히 태우고 내부 대류가 활발해 수소를 매우 효율적으로 사용하기 때문에 수명이 우주의 역사보다 더 길다. 질량이 큰 적색왜성은 800억년, 질량이 작고 중원소 함량이 많으면 최대 17조 5천억년까지 주계열성으로 존재할 수 있다. 우주의 역사가 138억년이라는 걸 생각하면 영원을 사는 거나 마찬가지다. 지구에 최초의 생명이 탄생한 게 38억년전이고 인류는 600만년 전에 최초의 조상이 나타났으므로 안정되고 긴 수명의 적색 왜성은 생물의 탄생과 진화에 유리한 조건이 될 수 있다.

결론

적색왜성은 생명체를 품기에는 불리한 조건이 많으나, 우주상에서 가장 흔한 항성이기 때문에 적색왜성에서 생명체를 발견한다면 외계 생명체의 존재 가능성이 극히 높아지기 때문에 연구는 지속되고 있다.